DE69918162T2 - Berstschutzvorrichtung für radialturbinen - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückhaltesystem zum Zurückhalten eines geborstenen Laufrads oder von Laufradbruchstücken und insbesondere ein Laufrad-Rückhaltesystem, welches kooperierend ein Einhakelement und einen Fänger verwendet, um die Tangentialbewegung eines geborstenen Laufrads oder von Laufradbruchstücken zurückzuhalten.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Von Flugzeugtriebwerken und Hilfsleistungsaggregaten (APU – auxiliary power unit) ist bekannt, dass sie Turbinen und Verdichter aufweisen, die um eine zentrale Welle mit hohen Drehzahlen rotieren. Obwohl moderne Gasturbinenmaschinen und APUs über Tausende von Stunden ohne signifikante Fehlfunktion arbeiten können, haben sich Umstände ergeben, in denen Laufradnaben oder Turbinennaben in zwei oder mehrere Bruchstücke brechen können, die sich von der rotierenden Trägerstruktur trennen. Generell ist es, wenn es zu einem solchen Bersten kommt, äußerst wünschenswert, derartige Nabenbruchstücke der geborstenen Scheibe innerhalb des kürzest möglichen Radius zurückzuhalten. Auf diese Weise kann der Materialquerschnitt, der erforderlich ist, um die erforderliche Scher- und Umfangsfestigkeit zum Zurückhalten des Berstens minimiert sein, um Gewicht zu reduzieren, und dabei dennoch einen ausreichenden Sicherheitsfaktor zum Schutz der Maschine und des Flugzeugsystems und der Flugzeugstruktur beibehalten.
  • Es ist auch wünschenswert, das Bersten innerhalb der kürzesten erreichbaren axialen Länge zurückzuhalten, so dass der Bereich von Flugbahnen der gebor stenen Bruchstücke, die sich aus einem Bersten ergeben, minimal ist. Im Stand der Technik wurden in der Praxis die Laufradnabenbruchstücke zurückgehalten, indem Laufradkränze, Diffusoren und die äußeren Maschinengehäuse als die primären Rückhaltestrukturen verwendet wurden. Jedoch haben die konventionellen Laufradkränze und Diffusoren des Stands der Technik manchmal dabei versagt, das Nabenbersten innerhalb ausreichend kleiner axialer und radialer Strecken zurückzuhalten. Beim konventionellen Stand der Technik waren diese Rückhaltestrukturen tendenziell von dem jeweiligen Ursprung des Berstens entfernt. Folglich waren diese Rückhaltestrukturen axial lang und radial dick, um den erwarteten Bereich der Flugbahnen der geborstenen Fragmente zu überspannen, so dass deren Querschnitte massiv, verglichen zu der benachbarten normalen Maschinenstruktur, waren. Tests haben gezeigt, dass diese Strukturen hinsichtlich ihres Gewichts ineffizient sein können.
  • Ein unerwünschtes Merkmal dieser Strukturen ist, dass die geborstenen Bruchstücke generell frei sind, bis sie die äußere Struktur der Maschine erreichten, wobei zu diesem Zeitpunkt die Bruchstücke ungünstig für ein effizientes Zurückhalten ausgerichtet sein können, nachdem sie aus der ursprünglichen Rotationsebene gelenkt wurden, sowohl durch eine Zwischenstruktur als auch durch die Art des Abbrechens der Scheibe, da jeder Versagensfall unterschiedlich sein kann.
  • Beispiele von Rückhaltestrukturen des Stands der Technik sind in CH-A-676 737 und US-A-5 618 162 gezeigt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Rückhaltestruktur bereitzustellen, welche geborstene Nabenbruchstücke innerhalb des kürzesten möglichen Radius und des kürzesten möglichen axialen Abstands von dem Punkt des Berstens zurückhält.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Laufradrückhaltesystem bereitzustellen, welches Maschinenbauteile gegen Drei-Naben-Bersten (tri-hub burst) schützt, wie das beschrieben werden wird, aber das ausgelegt ist, um zusätzliches Material und somit zusätzliches Gewicht zu einer Maschine zu minimieren.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Laufradrückhaltesystem bereitzustellen, bei dem das Laufrad selbst Teil des Rückhaltesystems bildet, um so den Weg der Laufradbruchstücke während eines Laufradberstens zu minimieren.
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine Rückhaltevorrichtung gemäß Anspruch 1.
  • Es ist somit ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Rückhaltesystem zum Zurückhalten von Bruchstücken eines rotierenden Laufrads bereitzustellen, die sich von einem geborstenen Laufrad in einem Gehäuse ergeben, wobei das Laufrad eine ringförmige Laufradnabe, welche die Laufradschaufeln an der Nabe anbringt, wobei die Nabe einen ringförmigen zurückgesetzten Bereich aufweist, und eine die Laufradnabe umgebenden umgebende Rückhalteeinrichtung aufweist, wobei die Rückhalteeinrichtung einen Fänger zum Fangen eines geborstenen Bereichs der Nabe aufweist durch Zusammenwirken mit dem ringförmigen zurückgesetzten Bereich der Nabe.
  • Es ist ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung, ein Rückhaltesystem bereitzustellen, bei dem ein Bereich der Laufradnabe mit einer konkaven Ausnehmung gebildet ist, um ein "Einhakelement" zu bilden, und ein Bereich der Kranz-Rückseitenplatte strömungsabwärts der Laufradnabe mit einem konvexen Flansch gebildet ist, um einen "Fänger" zu bilden. Das Laufradeinhakelement ist so ausgelegt, dass es während eines Laufradberstens mit dem Kranz-Rückseitenplatten-Fänger zusammenwirkt. Weil der Schwerpunkt des Laufrads axial von dem Schwerpunkt des Schaufelspitzenkranzes versetzt ist, wird ein geborstenes Laufradbruchstück tendenziell nach hinten wandern und tendenziell den Kranz nach vorne drücken. Da die Nut an den Laufradnabenbereich komplementär in in den Flansch an der Rückseite des Kranzes passt, wird das Laufrad von dem Flanschbereich des Rückseitenplatten-Kranzes eingehakt und gehindert, sich weiter radial nach außen oder in Längsrichtung nach hinten zu bewegen. Die Nabe ist auch gehindert, sich mehr als ein paar Inch von dem Punkt des Berstens zu bewegen.
  • Es ist ein weiteres bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung, einen Diffusor bereitzustellen, der angeordnet ist, als eine komplementäre Rückhaltestruktur zum Zurückhalten von geborstenen Laufradbruchstücken zu dienen. Der Diffusor der vorliegenden Erfindung ist ein umfangsmäßiger Ring, der radial außerhalb der Spitzen der Laufradschaufeln angeordnet ist. Der Diffusor ist so bemessen, dass er eine Struktur für irgendwelche Laufradbruchstücke, welche sich in der Richtung tangential nach außen zwischen dem gekrümmten Kranz und der Kranz-Rückseitenplatte bewegen, aufweisen wird. Der Diffusor ist auch mit einer Nut ausgelegt, die eine Exkursion des gekrümmten Kranzes nach außen fangen wird, welche sich aus dem hoch energetischen Stoß des Nabenberstens ergibt.
  • Die Erfindung kann auf irgendeine mit hoher Drehzahl rotierende Einheit angewendet werden, bei der Sicherheits- und Gewichtseffizienz von Bedeutung sind, beispielsweise Pumpen, Verdichter, Gebläse, etc.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen geschildert, für die gilt:
  • 1 zeigt eine Schnittansicht einer APU, aufweisend ein Rückhaltesystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 zeigt eine isolierte Schnittansicht eines Rückhaltesystems gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 offenbart generell eine Schnittansicht eines Verdichterabschnitts einer APU 10, wie sie in einem Flugzeug verwendet wird. APUs werden generell verwendet zum Antreiben des Hydrauliksystems, des Stromsystems und des Umgebungsregelungssystems eines Flugzeugs und arbeiten als eine sekundäre Leistungsquelle separat von den primären Antriebstriebswerken eines Flugzeugs.
  • Der Verdichterabschnitt der APU 10 der vorliegenden Erfindung weist ein Gehäuse 12 und eine zentrale Antriebswelle 20 auf, die um eine Längsachse rotiert. Wie in 1 gezeigt, weist der Verdichterabschnitt eine zentrifugale Laufradnabe 20 und zugehörige Laufradschaufeln 30 auf, die integral mit den Laufradnaben verbunden sind. Das Laufrad umgibt ein Kranz 32. Der in Längsrichtung strömungsaufwärtige Bereich des Kranzes 32 ist ein gekrümmter Kranz 33, während der strömungsabwärtige Bereich eine Kranz-Rückseitenplatte 34 aufweist. Die inneren Bereiche der Kranz-Platte sind ausgelegt, dass sie die radiale Bewegung der Laufradnaben im Falle eines Laufradberstens beschränken. Sie sind auch ausgelegt, die Exzentrizität der Nabe zu kontrollieren, wenn sich eine oben mehrere Schaufeln von der Nabe lösen. Der Betrieb dieser Flansche beim Zurückhalten eines Laufradnabenberstens wird vollständiger mit Bezugnahme auf 2 beschrieben.
  • 2 zeigt die Laufradanordnung und das Rückhaltesystem gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laufradanordnung ist aus der Laufradantriebswelle 20, einer ringförmigen Laufradnabe 22, die an der Antriebswelle 20 angebracht ist, und einer ringförmigen Anordnung von Laufradschaufeln 20 gebildet, die integral mit der ringförmigen Laufradnabe 22 verbunden sind. Die Laufradanordnung umgibt eine Laufrad-Kranzanordnung, die generell bei 32 gezeigt ist. Die Laufrad-Kranzanordnung 32 weist einen gekrümmten Laufrad-Kranzbereich 33 und einen Kranz-Rückseitenplattenbereich 34 auf.
  • An der strömungsabwärtigen Seite der Nabe befindet sich ein Einhakflansch 52 und eine benachbarte Einhaknut 50. An dem inneren Radius der Kranz-Rückseitenplatte 34 befindet sich ein Fängerflansch 60 und eine Fängernut 62. Diese Elemente sind in enger Nähe zueinander sowohl radial als auch axial positioniert, so dass sie während eines Rückhalteereignisses ineinander greifen. Somit wird die Nut 50 in den Flansch 60 gleiten, und der Flansch 52 wird in die Nut 62 gleiten. Diese Elemente sind bei einem generellen Radius von der Mittellinie positioniert, der relativ zu dem gesamten Laufraddurchmesser klein ist. Die Querschnittsflächen der Flansche 52 und 60 und deren entsprechende Abstützstrukturen sind so ausgelegt, dass sie ausreichend sind und in Übereinstimmung mit deren Materialfestigkeiten und der kinetischen Energie des Laufrads. Die Einhaknut und der Einhakflansch sind als generell konkav bzw. konvex gezeigt. Jedoch sind diese Strukturen nicht auf die exakten Formen beschränkt, wie sie im Schnitt in 2 gezeigt sind, und sie können andere Formen annehmen, die der Druchschnittsfachmann versteht. Beispielsweise können der jeweilige Flansch und die jeweilige Nut generell im Schnitt keilförmig sein.
  • An dem oberen Ende der Kranz-Rückseitenplatte 34 ist eine integrale Verbindung mit dem Diffusor hergestellt, generell mit 70 gezeigt. Der Diffusor 70 ist radial außerhalb des Laufradumfangs positioniert und weist eine Nut 71 auf, die in 1 dem Diffusorströmungsauslass 73 benachbart ist. Die Nut 71 ist mit einem Bajonettflansch 72 zusammengepasst, der an dem äußeren Bereich des Kranzes 32 positioniert ist. Der Diffusor ist in Position durch ein Verbindungselement 76 abgestützt, welches in 1 am besten gezeigt ist. Ein verschraubter Flansch 74 bringt das Backup-Bajonett 72 an dem Verbindungselement 76 an.
  • Der Betrieb des Laufradrückhaltesystems ist folgendermaßen. Im Falle eines Laufradnabenversagens wird die Laufradnabe tendenziell weg von ihrer zugehörigen Antriebswelle in einer Richtung nach hinten und radial nach außen bersten. Während dieser Bewegung werden die Einhaknut 50 und der Einhakflansch 52 von der komplementären Fängernut 62 und dem komplementären Fängerflansch 70 gefangen. Wegen der komplementären Formen dieser Strukturen werden die geborstenen Laufradbruchstücke tendenziell von dem Fängerflansch und der Fängernut gefangen und zurückgehalten.
  • Die enge Nähe der Vorrichtungen zu den Bruchstücken ist beabsichtigt, um deren Translationsbewegung sofort zu begrenzen und deren Rotationsbewegung zu verlängern. Indem das erfolgt, wird das gesamte Volumen der Rückhaltestruktur beim Ablauf des Zurückhaltens genutzt, während bei Anwendungen, bei denen die Rückhaltestruktur von der entsprechenden Nabe entfernt ist, der translatorische Aufprall an lokalisierten Bereichen der Struktur erfolgt, so dass die Struktur ungleichmäßig belastet wird und das Material weniger effizient genutzt wird.
  • Ein weiterer Schutz ist für das Laufrad und die Nabe durch den inneren Bereich 71 des Diffusors vorgesehen, welcher einen zurückgesetzten Nutbereich an seinem inneren Ende aufweist. Der zurückgesetzte Nutbereich 71 wechselwirkt mit einem Bajonettflansch 72 an dem Kranz 32 während des Ablaufs des Zurückhaltens. Durch diese Anordnung ist jegliche Bewegung radial nach außen des gekrümmten Laufrad-Kranzbereichs 33 des Kranzes 32 durch den inneren Bereich des Diffusors behindert. Das dient als eine Sicherheitseinrichtung in dem Fall, dass der Kranzbereich 33 auch als Folge der während eines Laufradberstens erfahrenen hohen Kräfte versagt.
  • Generell sind die rotierenden Verdichter- und Turbinenscheiben in Gasturbinenmaschinen durch deren Ermüdungsfestigkeit eingeschränkt. Folglich sind deren Berstgeschwindigkeiten beträchtlich höher als die Betriebsgeschwindigkeiten. Für einen, Rückhaltetest ist es erforderlich, die Scheibe bei ihrer maximalen Betriebsdrehzahl bersten zu lassen, so dass die Testscheibe künstlich geschwächt werden muss, um das zu erzielen.
  • Wenn eine Scheibe birst, erhalten die Bruchstücke praktisch die gesamte ursprüngliche Rotationsenergie der Scheibe. Jedes Bruchstück hat nun zwei Energiekomponenten: eine rotationsmäßige Komponente und eine translatorische Komponente. Es ist die translatorische Komponente, die den meisten Schaden anrichten kann. In der Praxis wird eine Scheibe von einem einzigen Versagensursprung ausgehend brechen, häufig von einer Fehlerstelle in der Bohrung, wo die Belastung häufig maximal ist. Der exakte Bruchmodus ist un vorhersagbar und kann zu Bruchstücken unterschiedlicher Größen und Formen führen. Die theoretische Konfiguration, welche den maximalen Anteil an translatorischer Energie erzeugt und somit die gefährlichste Konfiguration ist, ist ein Versagen, welches drei gleich Abschnitte erzeugt. Deshalb ist üblicherweise dieser Modus für das Testen vorgeschrieben, und er ist bekannt als "Drei-Naben-Versagen". Für Testzwecke wird das "Drei-Naben-Versagen" üblicherweise erreicht, indem drei gleichmäßig beabstandete Schlitze in die Nabe geschnitten werden, um sie so bis an den Punkt zu geschwächt wird, bei dem sie bei der oder unwesentlich über der maximalen Betriebsdrehzahl birst. Der Drei-Naben-Versagensmodus wurde ein Standard für das Testen, jedoch brechen Scheiben in der Praxis nicht notwendigerweise auf diese Weise.
  • Das Rückhaltesystem, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, wird vorzugsweise in einer APU-Maschine verwendet, obwohl das System, wie es in dieser bevorzugten Ausführungsform gezeigt ist, in anderen Typen von Maschinen, beispielsweise Pumpen, Bläsern, etc., verwendet werden kann, die einen Zentrifugalverdichter oder eine Zentrifugalturbine aufweisen. Andere Anwendungen dieses Laufrad-Rückhaltesystems, beispielsweise in Leistungsgeneratoren, die bei Landfahrzeugen verwendet werden, oder in Motoren, die bei anderen als luftfahrttechnischen Anwendungen verwendet werden, werden als in dem Umfang der vorliegenden Erfindung angesehen. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf ein Laufrad-Rückhaltesystem gerichtet, und es ist nicht beabsichtigt, sie auf spezielle Anwendungen bei speziellen Fahrzeugen oder speziellen Arten von Maschinen zu beschränken. Andere Anwendungen, wie sie der Fachmann erkennen wird, werden als in dem Umfang der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
  • Nachdem die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, kann eine weitere Anpassung des Rückhaltesystems durch geeignete Modifikationen durch den Fachmann vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (7)

  1. Rückhaltevorrichtung zum Zurückhalten von Bruchstücken eines rotierenden Zentrifugal-Laufrads, welche sich aus einem berstenden Laufrad in einem Gehäuse ergeben, wobei das Zentrifugal-Laufrad eine ringförmige Laufradnabe (22) aufweist, die rotationsfähig um eine Längsrotationsachse angebracht ist, wobei das Zentrifugal-Laufrad einen ersten äußeren Radius von der Rotationsachse hat, wobei die Laufradnabe (22) einen ringförmigen zurückgesetzten Bereich (50), der in einem rückwärtigen Bereich der Nabe (22) definiert ist, wobei der ringförmige zurückgesetzte Bereich (50) einen zweiten Radius von der Rotationsachse hat, der relativ zu dem ersten Radius kurz ist, und eine radiale Nut definiert, und eine Rückhalteeinrichtung aufweist, die einen ringförmigen Flansch (60) dem rückwärtigen Bereich der Laufradnabe benachbart aufweist, der sich umfangsmäßig der Nabe benachbart erstreckt, wobei der ringförmige Flansch (60) zum Zurückhalten von mindestens einem Teil der Nabe (22) in die ringförmige Nut (50) eingreift, indem er mit der ringförmigen Nut (50) der Nabe (22) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrifugal-Laufrad eine ringförmige Anordnung von Schaufeln (30) mit Schaufelspitzen befestigt und wobei die Rückhalteeinrichtung eine sekundäre Rückhalteeinrichtung aufweist, die einem radialen Randbereich der Laufschaufelspitzen benachbart ist, wobei die sekundäre Rückhalteeinrichtung aufweist: (i) einen Diffusor (70), der einem radialen Randbereich der Laufschaufelspitzen benachbart positioniert ist, wobei der Diffusor (70) einen inneren Oberflächenbereich mit einem Ausschnittbereich (71) entlang dem inneren Oberflächenbereich aufweist; und (ii) einen Kranz (33) mit einem Bereich, der sich radial außerhalb relativ zu der Rotationslängsachse erstreckt.
  2. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die ringförmige Nut (50) der Nabe (22) umfangsmäßig um die Nabe (22) erstreckt.
  3. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 2, wobei der ringförmige zurückgesetzte Bereich (50) der Nabe (22) ein konkaves Segment und einen dem konkaven Segment benachbarten konvexen Vorsprung (52) definiert, die die Nut (50) bilden, und wobei der ringförmige Flansch (60) dazu passende konvexe und konkave Segmente (62) hat.
  4. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 3, wobei das konvexe und das konkave Segment (62) des ringförmigen Flansches (60) einander benachbart sind.
  5. Rückhaltevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rückhalteeinrichtung auch einen Laufradkranz (34) aufweist, wobei der Laufradkranz (34) einen ringförmigen Ring aufweist, welcher das Zentrifugal-Laufrad bei dem ersten Radius umgibt, wobei die Rückhalteeinrichtung eine radiale Wandeinrichtung aufweist, welche den ringförmigen Ring mit dem ringförmigen Flansch (60) verbindet.
  6. Rückhaltevorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Kranz (34) die Schaufelspitzen umgibt.
  7. Rückhaltevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kranz (32) einen Bajonettflansch (72) an dem sich radial nach außen erstreckenden Bereich hat, der zusammenpassend mit dem Ausschnittbereich (71) des Diffusors (70) zusammenwirkt.
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